ЛАБ 1-2 метода

Рис .10

Блок питания содержит два регулируемых выпрямителя, органы управления и измерительные приборы, которые расположены на передней панели: приборы левой части относятся к источнику питания диода Ганна, а правой – к источнику питания ЛПД.

При наличии напряжения сети зажигается индикаторная лампочка 1 («Сеть»). Включение питания на диод Ганна выполняется поворотом регулятора 4 (ГГ), при этом зажигается индикаторная лампочка 2. Напряжение на диоде Ганна и протекающий через него ток контролируются вольтметром 5 (шкала 15 В) и миллиамперметром 6 (шкала 750 мА). Аналогично осуществляется включение и регулировка источника питания ЛПД.

6.Порядок выполнения лабораторного задания

иметодические указания

1.Исследование вольт-амперной характеристики диода Ганна. Включить

источник питания генератора на диоде Ганна.

Зависимость I0 U0 снимать в интервале значений от 0 до 10 В. После

измерения установить U0 =0.

2. Исследование зависимости мощности и частоты от напряжения питания диода на падающем участке ВАХ.

Подготовка к измерениям:

-подготовить к работе измеритель мощности М3-51 (см. приложение 1);

-подготовить к работе резонансный частотомер Ч2-37А (см. приложение 2);

-установить на диоде Ганна U0 10 В;

-установить длину l резонансной линии, при которой получается максимальное значение мощности PH макс .

падающего участка ВАХ диода Ганна и построить их вместе с ВАХ. Необходимо учитывать, что в СВЧ-тракте находится постоянный

аттенюатор с затуханием 10 дБ, поэтому показание ваттметра следует

21

увеличивать в 10 раз. Кроме того, измерение частоты следует начинать только при наличии показания ваттметра и отклонении стрелки индикатора резонансного частотомера.

3. Исследование зависимости мощности и частоты генерируемых колебаний от длины резонатора. Изменяя длину резонатора l перемещением поршня короткозамыкателя от 0 до 10 мм определить и построить зависимости мощности и частоты для U0 10 В и U0 8 В .

После измерений выключить источник питания диода Ганна и измеритель мощности.

7. Обработка результатов измерений и содержание отчета.

1. По п. 1 лабораторного задания: на ВАХ диода Ганна I0 U0 указать

- рассчитать крутизну SЭПЧ (МГц/В) и относительный диапазон электронной перестройки частоты генератора fЭПЧ / f (%), в пределах которого мощность превышает значение 0,5PH макс .

3. По п. 3 лабораторного задания: рассчитать диапазон механической перестройки частоты генератора ( fМЕХ / f , %) при U0 10 В , определяя fМЕХ по точкам, где PH 0,5PH макс ;

-сопоставить в виде таблицы паспортные и экспериментальные значения PH

,Э , f, U0 .

Отчет оформляется по установленной форме и должен содержать: цель лабораторной работы, лабораторное задание, схему измерительной установки, схему устройства генератора; параметры исследуемого диода Ганна АА 703; экспериментальные и расчетные зависимости, расчетные формулы и результаты расчетов.

8. Вопросы для самопроверки

1.Нарисовать зонную диаграмму для арсенида галлия.

2.Объяснить зависимость дрейфовой скорости от поля.

3.Объяснить процесс образования доменов в диодах Ганна.

4.Каковы особенности пролетного режима генератора? Объяснить форму импульсов тока в пролетном режиме.

5.Какая частота называется пролетной и чем она определяется?

6.Чем отличаются резонансные режимы генераторов на диодах Ганна от пролетного режима?

22

7.Сравните возможности механической перестройки частоты генераторов в пролетном и резонансном режимах работы.

8.Нарисуйте эквивалентную схему генератора на диоде Ганна. Поясните условия баланса активных и реактивных проводимостей.

9.Объясните причины зависимости частоты генерируемых колебаний от напряжения питания и нагрузки.

Практикум № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА

1. Цель работы Ознакомление с принципом действия, параметрами, устройством,

основными характеристиками полупроводникового инжекционного лазера, а также измерением его характеристик и параметров.

2.Домашнее задание

1.Ознакомиться с устройством и принципом действия полупроводникового инжекционного лазера, схемой лабораторной установки, основными параметрами и характеристиками (по описанию).

2.Заготовить бланк отчета по установленной в лаборатории форме. Указать цель работы, пункты лабораторного задания, привести схему установки, подготовить миллиметровку с названием исследуемой характеристики и величин, откладываемых по осям.

3.Лабораторное задание

1.Снять вольт-амперную характеристику лазера.

2.Снять энергетическую характеристику лазера.

3.Снять диаграммы направленности излучения в плоскости перехода, соответствующие различным режимам работы лазера.

4.Устройство, принцип действия, основные характеристики и параметры

инжекционного лазера

4.1. Устройство инжекционного лазера Основным элементом простейшего лазера (рис. 1) является диод на основе

вырожденных полупроводников арсенида галлия GaAs. Кристалл диода имеет форму призмы, на основаниях которой изготовлены контакты. Хотя бы один из контактов должен быть массивным для отвода тепла от области p-n-перехода.

4.2. Принцип действия Инжекционный лазер является автоколебательной системой. Для

объяснения возможности усиления электромагнитного излучения (света) в полупроводнике выделим на зонной диаграмме (рис. 2) узкую полосу 1 энергетических уровней вблизи границы валентной зоны и такую же полосу 2

23

Спонтанные переходы существуют только с верхних уровней на нижние (2

внешнего для атомов электромагнитного излучения с частотой, близкой к частоте перехода:

Вынужденный переход электрона с уровня полосы 1 валентной зоны на уровень полосы 2 зоны проводимости означает генерацию пары носителей электрон-дырка и сопровождается поглощением фотона. Вынужденный переход свободного электрона с уровня зоны проводимости на уровень валентной зоны (2 → 1) представляет собой рекомбинацию пары электрон-дырка. Рекомбинация сопровождается излучением дополнительного (вторичного) фотона, который неотличим от фотона поля, вызвавшего вынужденный переход в направлении распространения, частота, фаза и плоскость поляризации вторичного фотона такая же, как у первичного. Поэтому вторичный фотон усиливает проходящее через вещество электромагнитное излучение.

Вынужденные переходы с поглощением и излучением электромагнитной энергии идут одновременно, поэтому результат взаимодействий проходящего поля и вещества зависит от соотношения числа вынужденных переходов снизу вверх (n12) и сверху вниз (n21). При n21 > n12 преобладает эффект усиления, а при n21 < n12 – эффект ослабления.

Число вынужденных переходов в единицу времени в единице объема пропорционально числу электронов на уровнях:

n21 P21N2 ; n12 P12 N1 , (2)

где P21 и P12 – вероятности вынужденных переходов 2 → 1 и 1 → 2 соответственно.

Величины P21 и P12 зависят от интенсивности электромагнитного излучения:

24

где uν – объемная плотность энергии поля; B21 и B12 – коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов.

Доказано, что B21 = B12, то есть P21 = P12. Поэтому условие n21 > n12, при котором среда становится усиливающей (активная среда), с учетом (2)

превращается в условие N2>N1.

При термодинамическом равновесии населенность верхних уровней всегда меньше, чем нижних (N2<N1). Состояние вещества, при котором N2>N1, называют состоянием с инверсией населенностей энергетических уровней. Инверсия населенностей требует нарушения термодинамического равновесия, для чего необходима затрата энергии.

Повышением концентрации доноров в полупроводнике n-типа можно увеличить населенность N2. Однако это не приводит к инверсии населенностей, так как населенность валентных электронов N1 осталась большой (N1>N2). Малую величину N1 можно получить в полупроводнике p-типа, увеличивая концентрацию акцепторов, но в этом случае число свободных электронов N2 остается мало (N2 > N1).

В инжекционном лазере используется p-n-переход между вырожденными полупроводниками n- и p-типа. Состояние с инверсией населенностей получается при прямом включении p-n-перехода. В этом случае происходит встречная инжекция электронов из n-области и дырок из p-области. В результате этого в области перехода значительно возрастает число свободных электронов и дырок и уменьшается число валентных электронов (растет число дырок). При достаточной величине прямого напряжения в некотором узком слое перехода выполняется условие N2 > N1 и появляется возможность усиления. Этот слой становится активной средой.

Положительная обратная связь, необходимая для самовозбуждения лазера, обеспечивается следующим образом. В результате неодинаковости показателя преломления материала и воздуха излучение, распространяющееся в активной среде, частично отражается от границы раздела. Чтобы усилить обратную связь, две грани призмы кристалла (передняя и задняя на рис. 1) делаются параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости p-n-перехода. Отражающие поверхности (грани) образуют оптический резонатор. Так как расстояние между гранями превышает длину оптического излучения, самовозбуждение лазера возможно только на некоторых собственных частотах резонатора.

Спонтанное излучение, всегда имеющееся в веществе, вызывает вынужденные переходы. Лавинообразно нарастает число фотонов, направление распространения и частота которых удовлетворяют условиям самовозбуждения.

Возможны три режима работы инжекционного лазера, соответствующие различным значениям коэффициента усиления активной среды Ку и коэффициента обратной связи βОС

1. K у 1. Режим люминесценции (спонтанное излучение, шум).

25

колебаний, доля спонтанного излучения невелика).

4.3. Основные характеристики Вольт-амперная характеристика (рис. 3) – это зависимость тока,

проходящего через диод I, от прикладываемого к нему напряжения U. Энергетической характеристикой (рис. 4) называется зависимость

мощности излучения Р от тока лазера. На этой характеристике видны участки, соответствующие различным режимам работы. Участок I с малым наклоном соответствует режиму люминесценции, а участок III с большим наклоном – режим когерентного излучения. Участок II соответствует режиму сверхлюминесценции. Граница между участками II и III характеризуется так называемым пороговым током.

Спектральная характеристика (рис. 5) – это зависимость спектральной плотности мощности излучения от частоты излучения. Вид характеристики зависит от режима работы.

Лазерное излучение обладает направленностью, которая характеризуется диаграммой направленности (рис. 6). Диаграмма направленности представляет собой зависимость мощности, излучаемой в единичном угле, от значения угла, под которым наблюдается излучение. Различают диаграмму направленности излучения в плоскости перехода (горизонтальная плоскость на рис. 1) или диаграмму направленности в плоскости, перпендикулярной плоскости перехода (вертикальная плоскость).

Вводится понятие оси диаграммы направленности: это такое направление, в котором мощность излучения максимальна. Под расходимостью излучения в горизонтальной или вертикальной плоскости понимают угол ∆φ в соответствующей плоскости, содержащий ось диаграммы направленности и в пределах которого Wφ ≥ 0,5Wφ макс. Диаграмма направленности зависит от режима работы лазера.

26

4.4. Параметры Лазер характеризуется различными параметрами, которые обычно относят

к режиму когерентного излучения: мощность излучения, длина волны, ширина линии излучения, расходимость излучения в горизонтальной и вертикальной плоскости, внешний квантовый выход, КПД, срок службы, рабочая температура и т. д. Все эти параметры зависят от тока лазера, который должен указываться как параметр.

Длина волны излучения – это длина волны, соответствующая максимальной спектральной плотности излучения (частота νм на рис. 5). Ширина линии излучения – диапазон частот, в котором спектральная плотность мощности составляет не менее половины максимального значения (∆ν на рис. 5). Внешним квантовым выходом ηвнеш называется отношение числа излучаемых фотонов к числу рекомбинирующих за то же время пар носителей. КПД есть отношение полезной мощности излучения к мощности, затрачиваемой источником питания.

Из предельно допустимых параметров наиболее важными являются максимально допустимый ток и предельно допустимая мощность излучения, в режиме импульсного генерирования – также максимальные длительность и частота повторения импульсов.

Современные приборы обеспечивают мощность излучения порядка 100 Вт в режиме непрерывного генерирования при температуре жидкого гелия 4,2 К и порядка 10 Вт в режиме импульсного генерирования при комнатной температуре. КПД в лучших экземплярах составляет 60–70%.

Практическая реализация непрерывного режима работы полупроводникового лазера при комнатной температуре стала возможной в результате использования гетеропереходов, основанных на контакте полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Отличие структуры гетеролазеров от простейшей структуры лазера, показанной на рис. 1, состоит в том, что по обе стороны от активного слоя создаются слои с большей шириной запрещенной зоны (так называемые лазеры с двойной гетероструктурой). Образовавшиеся гетеропереходы препятствуют проникновению инжектированных в активный слой носителей из одного широкозонного слоя в другой. Поэтому наблюдается эффект удержания носителей в узком активном слое и снижается необходимый пороговый ток. Кроме этого наблюдается эффект

27

удержания света в активном слое. Связано это с тем, что коэффициент преломления материала с большей шириной запрещенной зоны оказывается меньше, чем в активном слое, имеющим меньшую ширину запрещенной зоны. Происходящая концентрация света и носителей в активном слое обеспечивает их эффективное взаимодействие и делает возможным создание лазеров с низким пороговым током, которые могут работать при комнатных температурах. В качестве материала для активного слоя может быть, например, использован GaAs (p-типа), а в соседних слоях – сложные соединения AlxGa1-xAs (n- и p+- типа). Индекс х определяет соотношение компонентов (Al и As), которое влияет на значение ширины запрещенной зоны.

В лабораторной установке используется гетеролазер с параметрами:

-длина волны излучения – 0,82–0,92 мкм;

-средняя мощность излучения – 5 мВт;

-рабочий ток (ток накачки) – не более 500 мА;

-рабочая температура – от –60 до +25°С;

-минимальная наработка – 2000 ч.

5. Схема лабораторной установки Схема лабораторной установки показана на рис. 7. Конструктивно

установка состоит из двух блоков: блока питания и индикации и оптического блока.

Рис.7

Блок питания и индикации позволяет подавать стабилизированное напряжение на элементы оптического блока: лазерный диод и фоторезисторы ФР-1 и ФР-2. Напряжение на лазерном диоде можно изменять от нуля до максимально допустимого значения. Напряжение на фоторезисторах фиксировано. Лазерный диод укреплен в поворотном устройстве цилиндрической формы. Фототок (ток в цепи фоторезистора) пропорционален мощности излучения, падающего на фоточувствительную площадку фоторезистора.

Фоторезистор ФР-1 расположен вблизи лазера и имеет большую фоточувствительную площадку. Он предназначен для измерения плотной мощности излучения лазера. Фоторезистор ФР-2 расположен дальше от лазера и

28

имеет небольшую фоточувствительную площадку. Поворотное устройство снабжено транспортиром. Таким образом, имеется возможность изменять и фиксировать в горизонтальной плоскости угловое положение лазера относительно фоторезисторов. В вертикальной плоскости заранее установлено оптимальное положение обоих фоторезисторов относительно лазера.

Приборы, измеряющие фототоки IФР, напряжение на лазерном диоде U и ток диода I, расположены на лицевой панели блока питания и индикации. Переход от фоторезистора ФР-1 к фоторезистору ФР-2 производится тумблером на панели оптического блока.

6. Порядок выполнения работы и методические указания Найти на лабораторной установке элементы схемы, показанной на рис. 7. Внимание! В процессе работы следует:

1)избегать попадания в глаза прямого либо отраженного излучения. При включенной установке нельзя заглядывать в щель цилиндра поворотного устройства или помещать отражающие поверхности на пути излучения;

2)предотвратить преждевременный выход из строя лазера. Для этого время работы в когерентном режиме должно быть, по возможности, малым. Это значит: а) миллиметровки с осями и масштабами (U до 2,5 В, I до 250 мА, Р до 5 мВт,

IФР-2 до 100 мкА, φ от 40 до 150°) для нанесения графиков или форма таблиц должны быть подготовлены до начала работы; б) не допускать перерывов в измерении при когерентном режиме работы лазера; в) выключить установку сразу после проведения необходимых измерений.

1. Измерения вольт-амперной и энергетической характеристик лазера. Энергетическая характеристика снимается с помощью фоторезистора ФР-1. Необходимо обеспечить правильное угловое положение лазера относительно фоторезистора. Для этого после включения установки и подачи напряжения UФР на резистор ФР-1 нужно подать напряжение на лазер, обеспечивающее заметное значение IФР, а затем с помощью поворотного устройства найти по транспортиру положение, соответствующее максимальному значению фототока. При дальнейших измерениях энергетической характеристики это положение не следует изменять.

Связь между полной мощностью излучения лазера Р и фототоком IФР определяется формулой P k IФР IФР.0 , где IФР.0 – начальный ток фоторезистора,

практически определяемый фоновой (паразитной) освещенностью в лаборатории при напряжении лазера U = 0. Учет IФР.0 существенен при малых значениях IФР. Значение коэффициента k определено при калибровке фоторезистора ФР-1 и указано на оптическом блоке.

Энергетическая характеристика (см. рис. 4) снимается в начале ее с шагом 10 мА, что позволяет с достаточной точностью определить значение порогового тока и границы режимов, которые следует отметить на обеих характеристиках.

2. Измерение диаграммы направленности излучения в плоскости перехода, соответствующее различным режимам работы лазера. Напряжение UФР подается на фоторезистор ФР-2. Экспериментально снимаются зависимости фототока IФР- 2 от угла поворота φ лазера в горизонтальной плоскости относительно

29

фоточувствительной площадки фоторезистора. Угол поворота лазера определяется с помощью транспортира.

Эти зависимости нужно снять при значениях тока лазера, соответствующих режимах работы 2 и 3 на рис. 4.

7. Обработка результатов измерений и содержание отчета По п.п. 1, 2 и 3 лабораторного задания: рассчитать КПД, внешний квантовый

выход ηвнеш и угол расходимости ∆φгор и записать их значения в табл. 1. Таблица 1

Внешний квантовый выход ηвнеш определяется как отношение числа излученных фотонов в 1 с к числу рекомбинировавших за это время пар носителей. Число электронов, рекомбинирующих за 1 с, находится делением тока лазера на заряд электрона (q = 1,6∙10-19 Кл), а число излучаемых за 1 с фотонов – делением мощности излучением лазера на энергию одного кванта hν,

определяемую исходя из значения длины волны излучения лазера ( c , с =

3∙108 м/с, λ = 0,84 мкм, h = 6,63∙10-34 Дж∙с).

Значение угла расходимости излучения ∆φгор определяется по диаграмме направленности излучения в горизонтальной плоскости.

Отчет оформляется по установленной в лаборатории форме и должен содержать: цель лабораторной работы; пункты лабораторного задания; схему установки (см. рис. 7); результаты измерений, расчеты и графики экспериментальных зависимостей и таблицу параметров, содержащую экспериментальные значения тока лазера, напряжения на лазере, излучаемой мощности и вычисленные значения КПД, внешнего квантового выхода и расходимости излучения в горизонтальной плоскости для различных режимов работы лазера; выводы по работе.

Выводы должны быть сделаны относительно зависимости КПД, внешнего квантового выхода и расходимости излучения в горизонтальной плоскости от режима работы лазера.

8.Вопросы для самопроверки

1.Объясните процессы вынужденного поглощения и излучения и самопроизвольного излучения. Можно ли получить усиление поля за счет спонтанных переходов?

30